Duurzaamheidstesten op vermogenselektronica voor de hernieuwbare-energiesector

Fotovoltaïsche zonneparken moeten net zoals windturbines betrouwbaar en veilig kunnen werken tijdens hun gehele levensduur, en dit in alle klimaten ter wereld. Daarom heeft OWI-Lab uitgebreide klimatologische testen uitgevoerd op multi-MW vermogenselektronica (omvormers) voor de markt in de sector zonne-energie. 

Sirris heeft één van de grootste klimaattestkamers in Europa. Het testlabo wordt gebruikt voor onderzoeks-, test- en validatieprojecten van verschillende elektromechanische systemen die in moeilijke en extreme klimaatomstandigheden moeten werken. De test-site werd in 2012 geopend en in het begin van haar werking werd ze voornamelijk gebruikt door het departement van het OWI-Lab voor functionele testen op grote componenten voor windturbines tussen de 1 MW en meer dan 6 MW (bijv. tandwielkasten, transformatoren, vermogensomvormers, hydraulische componenten,...). Ook bedrijven actief in off-highway, mijnbouw, landbouw en defensie halen voordeel uit de state-of-the-art klimaatkamer. 

Vorig jaar vonden in de klimaatkamer testen plaats met vermogenselektronica (invertoren) voor de markt van zonne-energie, aangezien ook deze sector van hernieuwbare energie op een betrouwbare en veilige manier moet kunnen werken gedurende de volledige levensduur, en dit in alle klimaatomstandigheden over de hele wereld. Dit kan zowel de woestijn als arctisch gebied zijn, en alle onderdelen moeten hieraan kunnen weerstaan. 

Grote klimaattestkamer en thermische beelden tijdens functionele testen van vermogensomvormers

In het verleden was één van de competenties waarop gefocust werd in het labo het testen van de  performantie tijdens koude opstart en ook de functionele bruikbaarheid in een koud klimaat. Aangezien tropische en woestijnsituaties (d.i. droog en heet) ook technische uitdagingen stellen aan bepaalde installaties (voornamelijk vermogenselektronica en koelsystemen), kijkt het labo voor klimaattesten verder dan extreme koude en ijzige omstandigheden. Om aan de testvereisten te voldoen werd de binnenkant van de klimaatkamer voorzien van een speciale coating en extra features, om zo geschikt te zijn voor het uitvoeren van vochtigheidstesten van 8 procent tot 95 procent. Daarnaast werd een 950 W/m² zonnewarmtepaneel (array) aangekocht dat gebruikt kan worden om infrarode zonnewarmte te simuleren. 

Wegens de grote afmetingen van de testruimte, het ruime temperatuurbereik van -60 °C tot +60 °C, de mogelijkheid om luchtvochtigheid en droge lucht te voorzien en de mogelijkheid om testcycli te programmeren is de installatie geschikt om één of meerdere systemen te testen op extreme klimatologische omstandigheden. Voor functionele testen op elektrische machines zoals bijvoorbeeld vermogensomvormers, is naast de klimatologische testopstelling ook de nodige elektrische test-infrastructuur voorzien en het nodige vermogen dat de klanten wensen. Dit kan gaan van 150 kVA tot meer dan 6 MW indien nodig. Naast omvormers voor de zonne-energiemarkt kunnen ook windturbineomvormers en vermogenselektronica voor golfslag- en getijdencentrales getest worden op klimatologische extreme omgevingen.  

Betrouwbare vermogenselektronica in woestijn en poolgebied 

Hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie nemen een steeds groter deel van de energiemix voor zich. Meer en meer worden dergelijke energiebronnen geïnstalleerd op afgelegen plaatsen, waarbij ze moeten werken in meer extreme klimaatomstandigheden. Hernieuwbare energiebronnen worden wereldwijd geïnstalleerd, wat betekent dat ze bestand moeten zijn tegen zowel de hitte van de woestijn in het Midden-Oosten, als de polaire koude in het noordelijke deel van Amerika, zoals in Canada bijvoorbeeld. Alle onderdelen moeten ontworpen zijn voor dergelijke omstandigheden omdat sommige van deze locaties veel moeilijker te bereiken zijn voor ingrepen of onderhoud in vergelijking met een gematigd klimaat. Fabrikanten van omvormers allerlei laten daarom eerst hun prototypes testen, om zo een veilige en betrouwbare werking in alle klimaatomstandigheden te garanderen.

Typische voorbeelden van hernieuwbare energiebronnen in harde klimaatomstandigheden: de hitte van de woestijn, extreme koude en zeer vochtige omgeving voor toepassingen met zonne-, wind- en getijdenenergie

Uitgebreide testmogelijkheden in gevarieerde en extreme klimaten 

"Door één vermogensomvormer in de klimaatkamer te plaatsen en een andere erbuiten zijn we in staat een 'rug-aan-rug' (back-to-back)-testopstelling van 1 MW in gesloten kring te maken, die we kunnen uitbreiden tot meer dan 6 MW wanneer nodig. Op die manier konden we een exemplaar op vol vermogen testen," aldus Pieter Jan Jordaens, business developer voor de klimaattestinstallatie. Ons testteam analyseert de normen en klanteisen en voorziet dan de benodigde uitrusting inzake elektrisch vermogen, bevochtiger en droogeenheid, zodat we een volledige klimatologische testcampagne kunnen aanbieden. 

Bastiaan Reymer, test engineer tijdens de testcampagne: "De tests op het systeem werden continu uitgevoerd, 24/7, voor meerdere dagen. Door de klimaatkamer te sturen met programmeerbare software kunnen temperatuur en vochtigheid met hoge precisie worden aangepast, zodat extreme omgevingscycli konden worden gecreëerd volgens de IEC-normen. Het team van het klimaattestlabo voerde de klimaattesten uit volgens: 

IEC-60068-2-1 Environmental Test - Cold

IEC-60068-2-2 Environmental Test - Dry Heat

IEC-60068-2-14 Environmental Test - Change of Temperature

IEC-60068-2-30 Environmental Test - Damp heat Cyclic (humidity testing)

Testcampagne voor vermogensomvormer in klimaatkamer - rug-aan-rug configuratie